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引擎流行用水冷卻系統 到底優點是甚麼?

引擎的水冷卻系統也是一個散熱循環的過程,不過需要組合的零件就比冷暖氣系統複雜多了,包括水箱(散熱器)、風扇、水泵、節溫器(水龜)、副水箱、水管、汽缸水套。首先,由引擎的正時皮帶來帶動水泵運轉,將冷卻水送往引擎缸體後,就開始在汽缸周圍的水套(即鑄造而成的流水通道)裡流動。接著,吸收引擎熱能後的冷卻水上升到汽缸蓋的水套,透過節溫器的開啟返回水箱進行降溫,最後回流到水泵,整個散熱循環過程就算完成。
 

▲冷卻系統的循環過程:水泵→引擎缸體→節溫器→水箱(風扇定時散熱)→副水箱→水泵。其中部分的熱水會被送到暖風箱當暖氣使用。
 
 
在散熱循環過程裡的「節溫器」,就是調節水溫的零件,引擎能不能維持正常的工作溫度都要靠它。那什麼是「工作溫度」?簡單來說就是引擎發揮最佳燃燒效率時需要的溫度,就好像電腦過熱就會當機,需要被控制在最佳溫度的一樣道理,但這個工作溫度會因不同車廠的設計而有所不同,比如說日系車控制在90℃左右,而歐美車則控制在100℃上下。
 

▲水冷式引擎的缸體在鑄造時會鑄有水套(在氣缸周圍的洞口),而氣缸蓋則在燃燒室周圍,利用冷卻液的循環帶走熱能。
 
 
因此引擎剛開啟時,節溫器就像一個閥門,阻擋冷卻水回流到水箱,讓冷卻水在引擎缸體作內循環以快速達到工作溫度,目的是縮短熱車的時間和防止引擎過冷而耗掉更多的燃料。當冷卻水升溫到80℃後,節溫器內的彈簧彈力逐漸放鬆,閥門就被打開,讓水套裡的熱水流向水箱,這時水箱風扇自動開啟將熱水快速散熱(行駛中的氣流也能幫助散熱),待水回流到下水箱後再被水泵送回引擎。這樣的水冷卻循環效率很穩定,適合大壓縮比且輸出動力大的多缸引擎,不過多少會消耗掉一些引擎的動力。
 

▲節溫器就像閥門,在熱車時阻擋引擎水套裡的水回流到水箱以進行內循環來快速升溫,防止引擎過冷,達到工作溫度後閥門開始往下壓,熱水往上流到水箱。
 
 
控制引擎的水溫
不能只靠節溫器
 
雖然節溫器能放掉高溫壓的冷卻水來防止引擎過熱,但經過一段時間的循環,引擎缸體內的水會跟水箱水的溫度近乎相同,加上工作中的引擎溫度一直上升,冷卻水就不能有效的降溫,因此需要「水箱風扇」來幫助水箱散熱。
 

▲水箱不是儲水裝置,它只是將被引擎加熱過的冷卻水引到這裡散熱,水溫超過90°C時風扇會強制降溫10°C左右,當然還得外加機油的冷卻才能維持引擎的最佳燃燒效率。
 
 
事實上,水箱不是一個儲水的裝置,它只是類似蜂巢造型的散熱零件,裡面佈滿多層的隔板薄片(散熱芯片),當熱水在通道裡往下流時,空氣經過這些薄片能帶走水的熱能,理論上薄片面積愈大,散熱效率愈好,但引擎室空間有限,水箱的設計尺寸不能太大的情況下,水箱中裝置的兩個風扇能在極短時間內讓冷卻水降溫7-10℃,這樣水泵送回引擎水套的冷卻水能夠繼續吸收熱能。
 

▲水箱上面的壓力蓋除了可以提高冷卻水的沸點以外,也透過壓力差把膨脹過度的熱水引到副水箱貯存,防止水箱和水管破裂,知道為什麼引擎發動時水箱蓋不能打開了吧?
 
 
至於風扇會根據水溫而開啟,像感應器測得水溫超過90℃時就會啟動風扇,待降溫10℃左右後就不讓風扇的馬達通電(作動時機精準到1℃的範圍),能減少消耗引擎動力,而且剛熄火的引擎仍處於高溫,電子風扇能持續運轉降溫直到冷卻水低於設定的低溫度為止。
 

▲副水箱的冷卻水只是用來供應水量不足的主水箱,尤其回到25°C的室溫狀態,水的體積已經縮小。
 
 
其實冷卻系統是密閉的迴路,當高溫的冷卻水流過水箱時壓力很大,如果沒有適當的洩掉高壓,水管很可能會變形甚至爆裂,這時候就要額外設置的空間來容納熱脹冷縮的冷卻水,也就是副水箱。當水溫過高,副水箱就接收體積膨脹而多出來的水,待水溫較低時,還可以供應體積縮小後水箱需要的水量。
 
這樣的調節功能是透過水箱蓋裡的雙向閥門設計,管路的高水壓會推開向外的閥門並流向副水箱,當水壓變低時,水箱管路內的低壓會吸開向內的閥門,讓冷卻水流回水箱,管路的壓力就能控制在設定的磅數範圍內。